1s 6 la couleur des etoiles

FICHE 1
Fiche à destination des enseignants
1S 6
La couleur des étoiles (La loi de Wien)
Type d'activité
Activité documentaire et utilisation de TIC
Notions et contenus du programme de 1ère S
Compétences attendues du programme de 1ère S
Connaître Distinguer une source polychromatique
d’une source monochromatique caractérisée par une
longueur d’onde dans le vide.
Largeur spectrale d’une source.
Connaître les limites en longueur d’onde dans le vide
du domaine visible et situer les rayonnements
infrarouges et ultraviolets.
Couleur des corps chauffés. Loi de Wien.
Compétences liées aux activités effectuées dans ce sujet
[Pilier 1]
Extraire des informations pertinentes d’un document.
Agir selon les consignes données en début de séance.
[Pilier 2]
Décrire les phénomènes avec le vocabulaire approprié.
[Pilier 3]
Extraire d’un document papier les informations relatives à un thème de travail.
Organisation et gestion des données
Traduire des observations.
Décrire le comportement d’une grandeur.
Utiliser une formule.
Présenter et expliquer l’enchaînement des idées.
[Pilier 6]
Travailler en autonomie.
Mobiliser sa curiosité.
Commentaires sur
l’activité proposée
Cette activité illustre la partie « OBSERVER » et la sous-partie Sources de lumière colorées du
programme de 1ère S.
Conditions de mise Durée : 2 h 00 en salle informatisée .
en œuvre
Cette activité expérimentale constitue un prolongement du thème L’Univers abordé en classe de 2nde.
Remarques
L’activité peut s’étaler sur plusieurs séances. Les différents documents (1, 2 et 3) sont donnés au fur et à
mesure de la progression des élèves qui travaillent en petits groupes. Le travail sur tableur n’intervient
que dans le document 3 mais on peut aussi donner l’ensemble des documents dans un dossier
informatique comportant les photographies et les spectres. Un accès à Internet est nécessaire pour la
dernière partie.
FICHE 2
Texte à distribuer aux élèves
La couleur des étoiles : la loi de Wien (document 1)
Les connaissances en sciences se construisent petit à petit. C’est souvent l’observation qui permet d’affiner,
de préciser une théorie.
Contrôle des connaissances.
La température T d’un corps peut s’exprimer en Kelvin (K). Elle est reliée à la température  en degré
Celsius (°C) par la relation : T =  + 273,15.

Cocher la ou les bonnes réponses.
Quel dispositif peut-on utiliser afin d’obtenir un spectre?
Un réseau
Un CD
Un laser
Un drap
Un prisme
Un télescope
Des gouttes d’eau
De la fumée
Le spectre de la lumière blanche…
… est continu et s’étale du rouge au violet
… contient des raies noires sur un fond coloré
… contient des raies colorées sur un fond noir
… contient toutes les couleurs de l’arc-en-ciel
… est celui d’une source polychromatique
… est celui d’une source monochromatique
Plus la température de la source lumineuse est grande, plus le spectre s’enrichit …
Rouge
jaune vert
bleu
violet
T
augmente
800 nm
400 nm
λ diminue
… vers les radiations de petites longueurs d’onde
… vers les radiations de grandes longueurs d’onde

Interpréter cette situation.
Situation
Une lampe de poche munie d’une pile neuve émet
une lumière blanche et intense (le filament au
tungstène de l’ampoule est chauffé à 2700 K).
Si la pile est usée (le filament n’est chauffé qu’à
1500 K), la lumière émise est peu intense, elle
devient orangée puis rouge.
Interprétation possible
La couleur des étoiles : la loi de Wien (document 2)
Un problème de couleurs
Bételgeuse et Bellatrix sont deux étoiles appartenant à la constellation d’Orion qui est très facilement visible
dans le ciel des nuits d’hiver (voir projection).
Bételgeuse
Bellatrix
La température de surface de Bételgeuse est de 3500 K.
La température de surface de Bellatrix est de 28000 K.
D’après ces données et ce qui a été revu dans le document 1, ces deux étoiles devraient apparaître blanches.
Ceci n’est pas cohérent avec l’observation puisque Bételgeuse est une étoile rouge et Bellatrix une étoile
bleue.
Par petits groupes de recherche, vous devez émettre des hypothèses permettant d’expliquer ces couleurs qui
semblent en contradiction avec vos connaissances.
Hypothèses
Conséquences sur la couleur de l’étoile
La couleur des étoiles : la loi de Wien (document 3)
La loi de Wien
Pour valider l’une des hypothèses du document précédent, les spectres de la lumière émise par ces étoiles
ont été faits.
Que peut-on remarquer sur ces spectres ?
Intensité lumineuse
Enfin, nouvelle donnée importante, voici le graphe représentant l’intensité lumineuse émise en fonction de la
longueur d’onde pour des corps de températures différentes.
Quelle est la longueur d’onde correspondant au maximum d’intensité lumineuse à 3500K ?
Même question pour un corps chauffé à 5000 K.
De manière générale, que peut-on dire de la longueur d’onde correspondant au maximum d’intensité
lumineuse lorsque la température augmente ?
Un corps chaud émet-il toutes les radiations avec la même intensité ?
Tracer sur le graphe le domaine correspondant aux radiations visibles.
Ces nouvelles données doivent vous permettre de trouver une explication pour la couleur des étoiles.
Dans le tableau ci-dessous, il est donné, pour plusieurs températures en Kelvin, la valeur de la longueur
d’onde correspondant au maximum d’émission lumineuse du corps chauffé.
Le modèle
T (K)
2000
2500
3500
4500
5500
6500
7500
8500
9500 10500 11500 12500 13500 14500 15500 16500 17500 18500 19500
λmax
(nm)
1450
1156
826
642
526
445
385
345
305
275
251
231
214
200
186
175
165
156
148
On cherche une relation entre la température et la longueur d’onde de la radiation la plus intense :
A l’aide d’un tableur, recopier ces données et tracer la courbe λmax = f( ) en respectant le système
international (SI) pour les unités.
Que remarquez-vous?
Après avoir modélisé la courbe, en déduire une relation entre la longueur d’onde λmax et l’inverse de la
température.
La loi de Wien donne λmax T = constante avec λmax en mètre et T en Kelvin. Donner la valeur de la
constante.
Conclusion
Utilisons la loi de Wien :
La température de surface du Soleil est de 5500 K environ. A l’aide des autres températures données dans le
document 2, calculer la longueur d’onde du maximum d’intensité lumineuse pour Bételgeuse, Bellatrix et
pour le Soleil. Conclure sur la couleur de ces étoiles. Est-ce conforme aux observations ?
Données :
Couleur
λ (nm)
rouge
orangé
Jaune
Vert
Bleu
Indigo
Violet
800 à 650 650 à 590 590 à 550 550 à 490 490 à 465 465 à 440 440 à 400
La couleur prise par une étoile ne correspond pas tout à fait à celle de la radiation émise avec le plus
d’intensité. Les autres radiations sont aussi présentes même si elles sont moins intenses. La couleur réelle de
l’étoile dépend de tous ces paramètres. De plus notre œil n’a pas la même sensibilité pour les radiations
lumineuses.
Vérifier vos résultats, à l’aide de l’animation sur le site de l’observatoire de Paris:
http://media4.obspm.fr/public/FSU/temperature/rayonnement/corps-noir/spectre-corps-noir/SIMULER.html
FICHE 3
Correction. Fiche à destination des enseignants
La couleur des étoiles : la loi de Wien (document 1)
Les connaissances en sciences se construisent petit à petit. C’est souvent l’observation qui permet d’affiner,
de préciser une théorie.
Contrôle des connaissances.
La température T d’un corps peut s’exprimer en Kelvin (K). Elle est reliée à la température  en degré
Celsius (°C) par la relation : T =  + 273,15.

Cocher la ou les bonnes réponses.
Quel dispositif peut-on utiliser afin d’obtenir un spectre?
Un réseau

Un CD

Un laser
Un drap
Un prisme
Un télescope
Des gouttes d’eau
De la fumée
Le spectre de la lumière blanche…
… est continu et s’étale du rouge au violet

… contient des raies noires sur un fond coloré
… contient des raies colorées sur un fond noir
… contient toutes les couleurs de l’arc-en-ciel

… est celui d’une source polychromatique

… est celui d’une source monochromatique
Plus la température de la source lumineuse est grande, plus le spectre s’enrichit …
Rouge
jaune vert
bleu
violet
T
augmente
800 nm
400 nm
λ diminue
… vers les radiations de petites longueurs d’onde 
… vers les radiations de grandes longueurs d’onde



Interpréter cette situation.
Situation
Une lampe de poche munie d’une pile neuve émet
une lumière blanche et intense (le filament au
tungstène de l’ampoule est chauffé à 2700 K).
Si la pile est usée (le filament n’est chauffé qu’à
1500 K), la lumière émise est peu intense, elle
devient orangée puis rouge.
Interprétation possible
Forte température : le spectre contient toutes les
radiations du visible, la lumière blanche est
obtenue à partir de l’ensemble des radiations du
visible.
Température plus basse : le spectre s’appauvrit en
radiations de petites longueurs d’onde, seules les
radiations correspondant à l’orangé et au rouge
persistent.
La couleur des étoiles : la loi de Wien (document 2)
Un problème de couleurs
Bételgeuse et Bellatrix sont deux étoiles appartenant à la constellation d’Orion qui est très facilement visible
dans le ciel des nuits d’hiver (Voir projection).
Bételgeuse
Bellatrix
La température de surface de Bételgeuse est de 3500 K.
La température de surface de Bellatrix est de 28000 K.
D’après ces données et ce qui a été revu dans le document 1, ces deux étoiles devraient apparaître blanches.
Ceci n’est pas cohérent avec l’observation puisque Bételgeuse est une étoile rouge et Bellatrix une étoile
bleue.
Par petits groupes de recherche, vous devez émettre des hypothèses permettant d’expliquer ces couleurs qui
semblent en contradiction avec vos connaissances.
Hypothèses
Conséquences sur la couleur de l’étoile
La couleur des étoiles : la loi de Wien (document 3)
La loi de Wien
Pour valider l’une des hypothèses du document précédent, les spectres de la lumière émise par ces étoiles
ont été faits.
Que peut-on remarquer sur ces spectres ?
Pour Bételgeuse : violet peu représenté, bleu faible ; pour Bellatrix : toutes les radiations sont présentes.
On peut faire remarquer que les raies d’absorption sont bien présentes sur ces spectres (les bandes sur le
spectre de Bételgeuse sont dues à l’oxyde de titane TiO).
Une des hypothèses du document précédent peut justement être que certaines couleurs sont absorbées et que
cela pourrait changer la couleur de l’étoile : on peut alors faire remarquer que dans le cas de Bellatrix, les
raies absorbées ne correspondent qu’à une toute petite partie du spectre et n’engendrent pas de changement
notable sur la couleur de la lumière émise.
Intensité lumineuse
Enfin, nouvelle donnée importante, voici le graphe représentant l’intensité lumineuse émise en fonction de la
longueur d’onde pour des corps de températures différentes.
Quelle est la longueur d’onde correspondant au maximum d’intensité lumineuse à 3500K ?
Environ 800 nm
Même question pour un corps chauffé à 5000 K.
Environ 580 nm
De manière générale, que peut-on dire de la longueur d’onde correspondant au maximum d’intensité
lumineuse lorsque la température augmente ?
λmax  lorsque T
Un corps chaud émet-il toutes les radiations avec la même intensité ?
Non, on remarque facilement que pour une même température certaines radiations sont beaucoup plus
intenses que d’autres.
Tracer sur le graphe le domaine correspondant aux radiations visibles.
Radiations visibles comprises entre 400 et 800 nm
Ces nouvelles données doivent vous permettre de trouver une explication pour la couleur des étoiles.
Le modèle
Dans le tableau ci-dessous, il est donné, pour plusieurs températures en Kelvin, la valeur de la longueur
d’onde correspondant au maximum d’émission lumineuse du corps chauffé.
T (K)
2000
2500
3500
4500
5500
6500
7500
8500
9500 10500 11500 12500 13500 14500 15500 16500 17500 18500 19500
λmax
(nm)
1450
1156
826
642
526
445
385
345
305
275
251
231
214
200
186
175
165
156
148
On cherche une relation entre la température et la longueur d’onde de la radiation la plus intense :
A l’aide d’un tableur, recopier ces données et tracer la courbe λ max = f( ) en respectant le système
international (SI) pour les unités.
Que remarquez-vous?
Une droite est obtenue.
Après avoir modélisé la courbe, en déduire une relation entre la longueur d’onde λ max et l’inverse de
température.
λmax = 2,89.10-3 1/T
La loi de Wien donne λmax T = constante avec λmax en mètre et T en Kelvin. Donner la valeur de la
constante.
λmax T = 2,89.10-3 K.m
Conclusion
Utilisons la loi de Wien :
La température de surface du Soleil est de 5500 K environ. A l’aide des autres températures données dans le
document 2, calculer la longueur d’onde du maximum d’intensité lumineuse pour Bételgeuse, Bellatrix et
pour le Soleil. Conclure sur la couleur de ces étoiles. Est-ce conforme aux observations ?
Bételgeuse : λmax = 826 nm. Le maximum d’intensité est obtenu pour une radiation rouge. La courbe
d’intensité descend très vite pour les autres radiations du visible : Bételgeuse est une étoile rouge !
Béllatrix : λmax = 1032 nm. Le maximum d’intensité est obtenu dans l’ultraviolet. La forme de la courbe
permet de montrer que le violet et le bleu sont bien plus intenses que les autres couleurs.
Soleil : λmax = 525 nm. Ceci correspond à une radiation verte mais globalement toutes les radiations du
visible sont bien représentées. Le Soleil nous apparait donc comme une étoile blanche et non verte !
On peut aussi en profiter pour revenir à l’ampoule et son filament de tungstène. Il est chauffé à 2700 K :
λmax = 1070 nm. Le maximum se situe dans l’infrarouge (Ce mode d’éclairement est peu efficace !) mais la
courbe très « étalée et plate » pour les basses températures fait que toutes les radiations sont également
représentées dans le visible : la lumière est blanche !
Données :
Couleur
λ (nm)
rouge
orangé
Jaune
Vert
Bleu
Indigo
Violet
800 à 650 650 à 590 590 à 550 550 à 490 490 à 465 465 à 440 440 à 400
La couleur prise par une étoile ne correspond pas tout à fait à celle de la radiation émise avec le plus
d’intensité. Les autres radiations sont aussi présentes même si elles sont moins intenses. La couleur réelle de
l’étoile dépend de tous ces paramètres. De plus notre œil n’a pas la même sensibilité pour les radiations
lumineuses.
Vérifier vos résultats, à l’aide de l’animation sur le site de l’observatoire de Paris:
http://media4.obspm.fr/public/FSU/temperature/rayonnement/corps-noir/spectre-corps-noir/SIMULER.html